Projetos de subestações Elétricas com base na Resolução ANEEL 398
A legislação brasileira vigente exige que as empresas do setor elétrico e de telecomunicações se comprometam com os níveis de campos elétricos, magnéticos e eletromagnéticos por elas criados. Essa medida tem o intuito de garantir a proteção da saúde da população e preservação do meio ambiente em todo o território nacional.
Os valores tomados como referência são os definidos pela Organização Mundial de Saúde (OMS), para faixas de frequências até 300 GHz. Em se tratando da exposição humana, existe uma diferenciação do nível de tolerância pelo tipo de público afetado, sendo chamados de “população ocupacional” e “população em geral”. A população ocupacional é aquela que está encarregada da manutenção e manobras de equipamentos próximos aos campos radiados, enquanto a população em geral se refere a todos os demais indivíduos.
No contexto do setor elétrico, a Agência Reguladora é a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) – vinculada ao Ministério de Minas e Energia – a qual é responsável por regular e fiscalizar a aplicação da lei citada. Sendo assim, todos os equipamentos, dispositivos eletromagnéticos e cabos de potência necessariamente precisam estar em conformidade com o que for atribuído pela ANEEL. Atualmente, a regulamentação está definida pela resolução normativa 398, de 23 de março de 2010.
Nos últimos anos, a ANEEL tem sido mais rígida em sua fiscalização da normativa 398 e, infelizmente, tem encontrado uma série de Subestações Elétricas (SEs) em situação de desconformidade. Em virtude desse fato, as empresas do setor elétrico buscam alternativas aos métodos de cálculo tradicionais de campos elétricos e magnéticos que possam fornecer estimativas precisas. Devido a esta necessidade, este post tem o objetivo de apresentar como a simulação numérica auxilia na estimativa do cálculo de campos eletromagnéticos em Subestações Elétricas com alta precisão, por meio do Método dos Elementos Finitos (FEM).
Resolução normativa ANEEL 398
A resolução normativa 398, de 23 de março de 2010 (atualizada pela resolução normativa nº 616 de 1º de julho de 2014) regulamenta a lei nº 11.934 de 05 de maio de 2009, no que se refere aos limites à exposição humana a campos elétricos e magnéticos originários de instalações de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica. Os limites e os procedimentos estabelecidos nesta resolução se referem à exposição da população em geral e da população ocupacional aos campos elétricos e magnéticos. Após a atualização da norma, passou a existir limites distintos para as frequências de 0, 50 e 60 Hz. Os valores numéricos são explicitados nas Tabelas abaixo.
Tabela 1 – Níveis de Referência para campos elétricos e magnéticos em 50 e 60 Hz
Tabela 2 – Níveis de Referência para campos elétricos e magnéticos a 0 Hz
A Tabela 1 se baseia nas recomendações da Comissão Internacional de Proteção Contra Radiação Não Ionizante (ICNIRP), já a Tabela 2, em norma do Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE). Estes valores são definidos como limiares de valores (RMS) dos campos antes de que os mesmos causem alguma interferência em tecidos vivos, ou seja, riscos à saúde.
Para estarem operando legalmente, as empresas do setor necessitam realizar medições ou cálculos dos campos elétricos e magnéticos dentro de toda a subestação e em seu entorno, a uma altura de 1,5 metros do solo (altura média do coração ao solo).
Caso existam regiões em uma subestação que não estão atendendo à norma, a empresa responsável necessita corrigir este problema e apresentar um plano de conformidade para a ANEEL.
Este processo de readequação é muito oneroso e passível de multa, por isso, a possibilidade de realizar cálculos precisos dos campos eletromagnéticos antes de construir uma subestação ou de modificá-la tem se tornado uma alternativa cada vez mais atrativa.
Simulação de SEs via Método dos Elementos Finitos (FEM)
Como as análises empíricas (naturalmente) exigem que a Subestação Elétrica (SE) esteja pronta e ativa, essa abordagem pode ser interpretada como altamente ousada ou imprudente, tendo em vista o risco à vida dos trabalhadores e da população circunvizinha. Além disso, os custos que a concessionária de energia pode vir a ter com mudanças na SE podem se equivaler à criação de uma nova Subestação (sem considerar a multa por interrupção de entrega de energia).
Alternativamente, existem diversos métodos numéricos utilizados para realizar as “medições virtuais” de campos eletromagnéticos em SEs: Método de Elementos de Contorno (BEM), Método de Simulação de Cargas (CSM), Método das Diferenças Finitas (FDM), Método dos Elementos Finitos (FEM), Método dos Elementos Finitos com Campos de Densidade Variável (FEMVFD), Método de Monte Carlo (MCM), entre outros. Contudo, existe também controvérsia sobre qual seria o método mais adequado para esse tipo de análise. De veras, os métodos variam desde análises extremamente simplistas, considerando apenas os cabos de potência em 1D, para análise altamente realistas com todos os cabos e equipamentos eletromagnéticos em 3D.
Uma das técnicas numéricas disponíveis mais precisas é o Método dos Elementos Finitos (FEM), o qual costuma causar receio sobre a sua viabilidade computacional, uma vez que a sua solução tende a se tornar muito pesada para este tipo de análise. Porém, existem softwares comerciais, como o ANSYS Maxwell, que aceleram e descomplicam essa análise. No caso do Maxwell, a ANSYS implementou novas técnicas de aceleração dos solvers via metodologia de Computação de Alto Desempenho (HPC), o que tornou o tempo total de solução mais que praticável. A relação de compromisso “Custo computacional” versus “Precisão” deixou de ser um problema para FEM. Ainda mais se a função objetivo “Precisão” for multiplicada por uma função peso relativa aos problemas políticos e financeiros que a concessionária pode vir a ter.
O FEM possui um algoritmo de discretização que possibilita descrever quaisquer tipos de geometrias, tanto em 2D quanto em 3D. No caso do ANSYS Maxwell, a discretização se dá de maneira automática pelo algoritmo (de sua autoria) de criação de malha autoadaptativa. Os elementos finitos podem ser definidos por triângulos (2D) ou tetraedros (3D). As equações diferenciais de James C. Maxwell no domínio quasi-estático são solucionadas considerando as geometrias definidas por tais elementos, as propriedades eletromagnéticas dos materiais e as condições de contorno (potenciais ou correntes elétricas) atribuídas a eles.
Para demonstrar o nível de detalhamento que se pode obter com este método, abaixo são apresentadas algumas figuras de parte de uma SE hipotética. Na Figura 1 são representadas algumas geometrias modeladas no Maxwell que são encontradas em uma SE, como cabos de potência, transformador, torre de sustentação e apoios isolantes. E, na Figura 2, é adicionado ao modelo um plano de corte à altura de 1,5 metros do solo, o qual apresenta a magnitude dos campos elétricos sobre essa região. Nesse caso, a solução do Maxwell foi obtida através do solver eletrostático. Vale ressaltar que, os valores de campos elétricos são geralmente os de maior interesse nas medições, uma vez que é a parte mais difícil de estar em conformidade com a ANEEL 398.
Figura 1 – CAD de parte da SE hipotética
Figura 2 – Magnitude de Campo Elétrico em plano a altura de 1,5 m do solo
Com as soluções de campos elétricos e magnéticos concluídas, as regiões críticas podem ser facilmente visualizadas. Com essa informação em mãos, as empresas podem tomar decisões para melhor distribuir os componentes dentro da subestação e/ou realizar modificações na planta de modo que esteja em conformidade com o exigido pela normativa ANEEL 398. E, com a possibilidade de realizar as modificações em ambiente virtual por meio das ferramentas de simulação, a análise de campos elétricos e magnéticos pode ser refeita até a obtenção do resultado desejado.
Sobre o CAD 3D, há diversas maneiras de realizar simplificações nas geometrias sem perda de precisão na análise numérica. Na verdade, não há necessidade de modelagem detalhada dos equipamentos, apenas das suas principais características eletromagnéticas. Ou seja, apenas a parte “ativa”, composta por geometrias de condutores elétricos, magnéticos e isolantes. Por exemplo, no caso de um transformador, pode-se modelar apenas as faces mais externas que definem o tanque e representa-se as buchas por cilindros equivalentes. Ademais, em uma SE existem poucos tipos de equipamentos distintos, assim é possível criar uma biblioteca de geometrias padrões e replicá-las ao longo de todo o seu perímetro. Com essa biblioteca de geometrias 3D, a criação de novos projetos de SE através de ambiente CAE é bastante simplificada.
Enfim, ainda que a análise numérica via FEM seja mais custosa computacionalmente que os métodos convencionais e que modelagem 3D a princípio pareça ser desafiadora, a precisão da análise e o nível de detalhamento da resposta têm sido as principais justificativas pelas quais as empresas do setor elétrico e profissionais da área de consultoria energética optem por este tipo de análise.
Por Leandro Alberto Percebon e atualizado por Diogo Figueiredo, ESSS.
